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第五章MOS场效应晶体管

§5.1MOS场效应晶体管的结构和工作原理

1．基本结构

上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET），它的工作原理

和JEFET的工作原理有许多类似之处。如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层

（如SiO）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管

2

（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，缩写MOSFET），如图所示（P172）。

MOS管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子

（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有

多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。

本章主要以金属―SiO―P型Si构成的MOS管为例来讨论其工作原理。器件的基

2

P

本参数是：沟道长度L（两个N结间的距离）；沟道宽度Z；氧化层厚度x；漏区和

0

源区的结深x；衬底掺杂浓度N

ja

等。

MOS场效应晶体管可以以半

导体Ge、Si为材料，也可以用化

合物GaAs、InP等材料制作，目

前以使用Si材料的最多。MOS器

件栅下的绝缘层可以选用SiO、

2

SiN和AlO等绝缘材料，其中

3423

使用SiO最为普遍。

2

2．载流子的积累、耗尽和反型

（1）载流子积累

我们先不考虑漏极电压V，将源极和

D

衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负

偏压（0），就将产生由衬底指向栅极

V

G

的垂直电场。在电场作用下，将使空穴在

半导体表面积累，而电子在金属表面积累，

如图所示。

（2）载流子耗尽

如果在栅极加一正偏压（0），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。在此电

V

G

场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗

尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些

负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属

表面感应出正电荷，如图所示。

（3）载流子反型

若在耗尽的基础上进一步增加偏压

V，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状

G

态。在反型层中，少子电子浓度高于本征

载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征

载流子浓度，这一层半导体由P型变成了

N型。在半导体表面产生电子积累，这些

电子是可以移动的，如图所示。

当栅压增加到使半导体表面积累的

电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平

衡浓度p时，半导体表面达到强反型，

p0

此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用表示）。达到强反型时，半导体表面附近

V

TH

出现的与体内极性相反的电子导电层，在MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子

导电的反型层称作N沟道。

3．工作过程

（1）时的工作过程

VV

GTH

＋

上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（）时，在两个N区之间的P

VV